CN109959196A - 一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置 - Google Patents

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刘飞
武越
杜永清
边东伟
康伟
吴亮
李海
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Abstract

一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，包括保温箱、甲烷管路、低温氮气喷射器，甲烷管路布置于保温箱内，在保温箱外留有进出接口，氮气喷射器从保温箱顶部向下喷射低温氮气，与甲烷管路换热。本发明与现有技术相比，通过采取流量调节阀控制氮气流量，实现甲烷深冷处理温度的宽范围调节，而且本发明换热装置具有结构简单、制作容易、成本低的问题。

Description

一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置
技术领域
本发明属于甲烷的深冷处理技术领域，涉及一种甲烷深冷装置，特别是一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置。
背景技术
液化天然气或液甲烷供入系统后，温度会升高(可能气化)，从而达不到用户的温度使用要求。现有的技术大都是关于天然气制备过程中的液化技术，而关于甲烷的深冷处理技术很少。CN105953525A中公布了一种用液氮冷却天然气的方法，虽可以获得较理想的冷却效果，但存在一个致命的缺点：因为液氮沸点低于甲烷冰点，若液氮流量控制不当，甲烷很容易结冰，导致系统无法工作。同时还存在以下缺点：1)液氮管路规格限制了液氮流量，从而使得天然气冷却温度范围不会很宽；2)液氮管路为单层结构，保温性差；3)冷却与被冷却介质为开环控制，精度差，无法实现远程自动化控制；4)冷却与被冷却管路为固接状态，若两类管路为不同材质或不同步冷却，很有可能在低温应力下破坏，低温适应性差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，解决了液氮直接冷却甲烷可能导致甲烷结冰，液氮管路规格限制了液氮流量，使得天然气冷却温度范围不会很宽；液氮管路保温性差；冷却与被冷却介质为开环控制，精度差，无法实现远程自动化控制；冷却与被冷却管路为固接状态，若两类管路为不同材质或不同步冷却，很有可能在低温应力下破坏，低温适应性差的问题，具有很好的使用价值。
本发明的技术解决方案是：一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，包括保温箱、甲烷管路、低温氮气喷射器，其中：
甲烷管路布置于保温箱内，在保温箱外留有进出接口，氮气喷射器从保温箱顶部向下喷射低温氮气，与甲烷管路换热。
所述的保温箱是双层壁保温结构，底端留有排液口，侧壁留有两个通孔，用于甲烷管路穿越保温箱内外，侧壁还留有一个测温接口，用于实时监测保温箱内的温度，顶盖留有排气口，作为低温氮气的喷射口，保温箱内为恒温、恒压状态。
所述的甲烷管路为盘管或者蛇形结构的光壁结构、螺纹管、螺旋槽管或者波纹管。
所述的低温氮气喷射器包括移动式工业液氮储罐、喷射管路、流量调节阀，移动式工业液氮储罐具有增压功能，流量调节阀控制排出的液氮流量，喷射管路产生低温氮气，从保温箱顶盖留有的排气口喷入保温箱。
所述的甲烷管路内的甲烷与喷射管路产生的低温氮气换热。
所述的甲烷换热后温度作为目标值，与保温箱内温度、流量调节阀形成闭环控制程序。
所述的甲烷管路与保温箱没有固定连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采取喷射低温氮气冷却甲烷的方式，通过在保温箱底端留有排液口，防止液氮集聚，从而根本上防止甲烷过冷甚至冻结；
(2)本发明采取流量调节阀控制氮气流量，实现甲烷深冷处理温度的宽范围调节，从甲烷进口温度到甲烷的冰点以下都能实现；
(3)本发明中保温箱采取双层壁保温结构，保温性好，有利于甲烷换热温度的稳定调节；
(4)本发明采取甲烷换热后温度与氮气流量闭环控制的方式，可实现精确化、自动化、远程化控制；
(5)本发明甲烷管路与低温箱为非固接状态，甲烷管路可自由变形，低温适应性好；
(6)本发明甲烷管路可以是厚壁管或薄壁管，故设计压力从几兆帕到几十兆帕都可以实现，设计压力很宽；
(7)本发明的保温箱用钢板和内部支撑焊接制作，甲烷管路由成品管用弯管器弯制，低温氮气喷射装置由成品移动式工业液氮储罐、喷射管路和流量调节阀组成，该换热装置结构简单，制作容易，成本低。
附图说明
图1为本发明的用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置示意图；
图2为本发明的保温箱1结构示意图；
图3为本发明的甲烷管路2其中一种形式——盘管结构示意图；
图4为本发明的甲烷换热后温度与低温氮气流量闭环控制流程图；
其中：1-保温箱，2-甲烷管路，3-低温氮气喷射器，11-排液口，12-通孔，13-测温接口，14-排气口，31-移动式工业液氮储罐，32-喷射管路，33-流量调节阀。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，解决了液氮直接冷却甲烷可能导致甲烷结冰，液氮管路规格限制了液氮流量，使得天然气冷却温度范围不会很宽；液氮管路保温性差；冷却与被冷却介质为开环控制，精度差，无法实现远程自动化控制；冷却与被冷却管路为固接状态，若两类管路为不同材质或不同步冷却，很有可能在低温应力下破坏，低温适应性差的问题，具有很好的使用价值。
如图1所示，用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，由保温箱1、甲烷管路2和低温氮气喷射器3组成，甲烷管路2布置于保温箱1内，在保温箱1外留有进出接口，保温箱1是双层壁保温结构，用钢板和内部支撑焊接制作，低温氮气喷射器3由移动式工业液氮储罐31、喷射管路32和流量调节阀33组成，移动式工业液氮储罐31自带增压功能，通过流量调节阀(33)控制排出的液氮流量，通过喷射管路32与周围环境换热产生低温氮气，从保温箱1顶盖留有的排气口14喷入保温箱1，与甲烷管路2换热。
如图2所示，保温箱1底端留有排液口11；侧壁留有两个通孔12，用于甲烷管路2穿越保温箱1内外；侧壁留有一个测温接口13，用于实时监测保温箱1内的温度；顶盖留有排气口14，同时是低温氮气喷射器3的喷射口，保温箱1的上述结构，能保证工作稳定状态下，保温箱1内为恒温和略高于大气压的恒压状态。
如图3所示，甲烷管路2是用光壁钢管制作成的盘管结构，也可以是蛇形或其他形状；甲烷管路2所用的钢管也可以是螺纹管、螺旋槽管、波纹管等不同形状表面的高效换热管。甲烷管路2与保温箱1没有固定连接，甲烷管路2低温变形不受外界力约束，低温适应性好。甲烷管路2可以是厚壁管或薄壁管，故设计压力从几兆帕到几十兆帕都可以实现，设计压力很宽，如采用Φ11×0.5的304不锈钢管，可以承压11MPa，采用Φ14×2的304不锈钢管，可以承压35MPa。
甲烷管路2内的甲烷与所述的低温氮气喷射器3产生的一定流量的低温氮气换热，保温箱1底端留有排液口11，防止液氮集聚，从而根本上防止甲烷过冷甚至冻结。通过调节低温氮气喷射器3的流量调节阀33，能够获得用户需求的温度范围很宽的状态稳定的甲烷(气或液态)，如通过控制流量调节阀33开度，可以将初始温度-120℃、流量100g/s的液甲烷深冷处理到-155℃。
如图4所示，为甲烷换热后出口温度闭环控制流程图。手动设定甲烷换热后出口温度，该目标值与实际测量值对比，差值作为控制流量调节阀33开大或关小的输入信号，进而控制保温箱1内温度，再次采集甲烷换热后出口温度，直至目标值与实际测量值差值在允许范围内。该闭环控制程序，可使换热精度更高、温度控制自动化、远程化。如换热后甲烷温度较目标值高，则增大流量调节阀33开度，氮气流量增大，换热加强，甲烷温度下降，直至达到要求值。
综上所述，常压下液氮沸点低于甲烷冰点，若直接用液氮冷却甲烷，则甲烷很容易结冰，本发明采用低温氮气冷却甲烷，避免出现上述问题。从移动式工业液氮储罐31喷射出来的液氮经过喷射管路32吸收周围环境热量，产生低温氮气与甲烷管路2换热，得到达到一定温度要求的甲烷，喷射管路32上的流量调节阀33控制不同氮气流量，实现甲烷温度的宽范围调节。保温箱1为双层保温结构，可维持保温箱1内为恒温状态，有利于换热状态的稳定。保温箱1低端留有排液口11，防止液氮集聚冻结甲烷。若换热后甲烷温度较目标值高，则增大流量调节阀33开度，氮气流量增大，换热加强，甲烷温度下降，直至达到要求值。将上述过程做成闭环控制，则可实现自动化控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于包括保温箱(1)、甲烷管路(2)、低温氮气喷射器(3)，其中：
甲烷管路(2)布置于保温箱(1)内，在保温箱(1)外留有进出接口，氮气喷射器从保温箱(1)顶部向下喷射低温氮气，与甲烷管路(2)换热。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的保温箱(1)是双层壁保温结构，底端留有排液口(11)，侧壁留有两个通孔(12)，用于甲烷管路(2)穿越保温箱(1)内外，侧壁还留有一个测温接口(13)，用于实时监测保温箱(1)内的温度，顶盖留有排气口(14)，作为低温氮气的喷射口，保温箱(1)内为恒温、恒压状态。
3.根据权利要求2所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的甲烷管路(2)为盘管或者蛇形结构的光壁结构、螺纹管、螺旋槽管或者波纹管。
4.根据权利要求3所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的低温氮气喷射器(3)包括移动式工业液氮储罐(31)、喷射管路(32)、流量调节阀(33)，移动式工业液氮储罐(31)具有增压功能，流量调节阀(33)控制排出的液氮流量，喷射管路(32)产生低温氮气，从保温箱(1)顶盖留有的排气口(14)喷入保温箱(1)。
5.根据权利要求4所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的甲烷管路(2)内的甲烷与喷射管路(32)产生的低温氮气换热。
6.根据权利要求5所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的甲烷换热后温度作为目标值，与保温箱(1)内温度、流量调节阀(33)形成闭环控制程序。
7.根据权利要求6所述的一种用于甲烷深冷处理的宽范围温度调节换热装置，其特征在于：所述的甲烷管路(2)与保温箱(1)没有固定连接。
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